CN108559991A - 一种修复抽油杆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种杆类部件表面耐腐蚀耐磨涂层的修复方法，具体涉及一种使用超高速率激光熔覆技术修复抽油杆表面镍基耐腐蚀耐磨涂层的方法，属于表面处理技术领域。本发明通过选择合适的金属粉末、调整粉末汇聚点和激光焦点的位置、调节工艺参数等方法，可快速精确地修复出表面平整度好、厚度小、无缺陷的镍基耐腐蚀耐磨涂层，实现了超高速率激光熔覆，达到提高生产效率、节约生产成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种杆类部件表面耐磨耐腐蚀层的修复方法，具体涉及一种使用超高速率激光熔覆技术修复抽油杆表面镍基耐磨耐腐蚀层的方法，属于表面处理技术领域。
背景技术
抽油杆适用于油田的采油，是抽油***中的重要组成部分，起到连接抽油机和抽油泵并传递动力的作用。由于目前油田的开发已进入高含水期，井液中含有各种矿物质和CO2、H2S、盐水等腐蚀介质，以优质碳素钢或合金钢为原材料生产的抽油杆在井液介质中服役过程中，由于化学腐蚀和电化学腐蚀的双重作用，导致抽油杆的严重腐蚀，进而造成油井故障。且由于抽油杆在运行中不可避免地要与油管发生摩擦，进一步加剧了抽油杆表面的损坏程度。
目前针对抽油杆腐蚀和磨损的问题主要采用电镀或激光熔覆方法制备耐磨耐腐蚀层防止腐蚀和磨损。在服役过程中当抽油杆出现腐蚀及磨损，应及时更换新的抽油杆，并对替换下来表面存在缺陷的抽油杆进行修复。由于电镀镀层与基体为物理结合，结合力差保护时间短，已逐渐被激光熔覆技术所取代。但现有的激光熔覆技术制备保护涂层的速度慢效率低，粉末利用率也较低，同时熔覆层的表面粗糙度较大，熔覆后还需要车床车削加工才能使用。因此使用传统的激光熔覆对抽油杆进行的修复工作效率较低也成本较高，同时激光熔覆的热输入量较大，熔覆后可能会导致抽油杆变形，不利于后续装配使用。
发明内容
本发明针对传统激光熔覆方法熔覆速率低、熔覆后涂层表面平整度低的问题，采用同轴送粉式激光熔覆方式，通过精确控制粉末汇聚点(粉斑)和激光焦点（光斑）的位置，进行超高速率激光熔覆，并保证熔覆后涂层表面平整度，达到快速修复表面破损的抽油杆的目的。需要说明的是，本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于20m/min。
本发明技术方案的具体内容是：
该方法的步骤是：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～45μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度120～140℃、保温时间1.5～3.5h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）对废旧抽油杆的弯曲度进行检验并进行压力校正：将跳动量大于0.4mm的抽油杆校正至跳动量不超过0.4mm；
（3）对抽油杆出现锈蚀磨损、需要修复的部位进行车削，直至完全车削掉表面的锈蚀磨损层，此时抽油杆修复部位的直径小于成品直径0.2～0.6mm；
（4）将经过校直、车削的抽油杆基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑和粉斑相对抽油杆基体待熔覆面的位置：要求光斑与粉斑重合，距待熔覆面0.5～2mm；
（5）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～1.5mm，抽油杆表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.35mm，激光功率为1200～1800W，送粉速率为15～25g/min；
（6）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（5）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层。此时修复部位的直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（7）保持抽油杆旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1300W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
本发明的优势在于：修复速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，同时抽油杆基体温度梯度更小，变形量更小，有利于后续的装配。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供了一种修复抽油杆的方法，该方法的步骤包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对废旧抽油杆的弯曲度进行检验并进行压力校正：将跳动量大于0.4mm的抽油杆校正至跳动量不超过0.4mm；
（3）对抽油杆出现锈蚀磨损、需要修复的部位进行车削，直至完全车削掉表面的锈蚀磨损层，并保证抽油杆修复部位的直径小于成品直径0.2～0.6mm；
（4）将经过校直、车削的抽油杆装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于抽油杆基体待熔覆面的位置；
（5）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.35mm，激光功率为1200～1800W，送粉速率为15～25g/min；
（6）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.10～0.45mm的涂层；此时抽油杆直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（7）保持抽油杆旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1300W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
优选的，所述镍粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
优选的，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于抽油杆基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
本发明的优势在于：修复速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，同时抽油杆基体温度梯度更小，变形量更小，有利于后续的装配。
本实施例提供了一种修复抽油杆的方法，该方法的步骤优选包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对废旧抽油杆的弯曲度进行检验并进行压力校正：将跳动量大于0.4mm的抽油杆校正至跳动量不超过0.4mm；
（3）对抽油杆出现锈蚀磨损、需要修复的部位进行车削，直至完全车削掉表面的锈蚀磨损层，此时抽油杆修复部位的直径小于成品直径0.2～0.6mm；
（4）将经过校直、车削的抽油杆基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于抽油杆基体待熔覆面的位置；
（5）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～75m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为1000～1600W，送粉速率为5～25g/min；
（6）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.10～0.45mm的涂层；此时抽油杆直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（7）保持抽油杆旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1300W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
优选的，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%的Ni45粉末。
优选的，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～140℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于抽油杆基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
可以理解的是，本实施例中激光的少部分能量作用在基体表面形成较浅的熔池，激光大部分能量作用在基体上方的镍基粉末上；镍基粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体结合。与传统工艺相比，本发明的镍基粉末稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，并因此可以获得超高速的熔覆速率，达到快速修复抽油杆的目的。
实施例2
本实施例提供了一种用于修复直径Φ38mm的抽油杆的超高速激光熔覆方法，，包括以下工艺步骤：首先校直抽油杆基体，并对出现锈蚀磨损的部位进行车削加工去除缺陷，然后用同轴送粉的超高速率激光熔覆方法在需要修复的基体表面熔覆Ni45镍基涂层，再使用激光重熔方法熔化涂层表面未完全熔化的粉末保证涂层表面粗糙度，最后使用磨床精加工至规定尺寸和精度。其具体工艺步骤为：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～45μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度130℃、保温时间2h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）对废旧抽油杆的弯曲度进行检验并进行压力校正：将跳动量大于0.4mm的抽油杆校正直，跳动量不超过0.4mm；
（3）对抽油杆出现锈蚀磨损、需要修复的部位进行车削，直至完全车削掉表面的锈蚀磨损层，此时抽油杆修复部位的直径小于成品直径0.4mm；
（4）将经过校直车削的抽油杆装夹在数控机床上，并调整光斑和粉斑相对立柱基体待熔覆面的位置：使光斑与粉斑在高于待熔覆面1mm的位置重合；
（5）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1.0mm，抽油杆表面线速度即熔覆速率为35m/min，每转进给量0.25mm，激光功率为1300W，送粉速率为20g/min；
（6）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.33mm的耐磨耐腐蚀涂层。此时抽油杆直径大于成品直径0.26mm；
（7）不送粉，对熔覆涂层表面进行激光重熔，保持抽油杆旋转线速度35m/min、每转进给量0.25mm和激光焦点位置不变，将激光功率降低至1100W对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。此时带有镍基耐磨耐腐蚀涂层的抽油杆直径为Φ38.16mm，再使用磨床对修复部位磨削至表面光滑、与未修复部位平齐。
本发明采用超高速率激光熔覆技术在抽油杆基体上修复受损的耐磨耐腐蚀涂层，涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，且制备精度高加工余量小，简化制造工艺流程。
Claims (4)
1.一种修复抽油杆的方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对废旧抽油杆的弯曲度进行检验并进行压力校正：将跳动量大于0.4mm的抽油杆校正至跳动量不超过0.4mm；
（3）对抽油杆出现锈蚀磨损、需要修复的部位进行车削，直至完全车削掉表面的锈蚀磨损层，并保证抽油杆修复部位的直径小于成品直径0.2～0.6mm；
（4）将经过校直、车削的抽油杆装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于抽油杆基体待熔覆面的位置；
（5）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.35mm，激光功率为1200～1800W，送粉速率为15～25g/min；
（6）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.10～0.45mm的涂层；此时抽油杆直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（7）保持抽油杆旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1300W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述镍粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于抽油杆基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
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